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中空纤维膜接触器壳程添加构件强化传质研究

作　者: 董艳艳
导　师: 刘丽英
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 中空纤维膜接触器壳程强化传质筛网弓形折流板螺旋折流板
分类号: TQ051.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

中空纤维膜接触器以其体积小、装填密度高和无需支撑等优势受到关注,在膜分离领域有越来越广泛的应用。但是,由于其中壳程流动情况复杂,影响因素较多,一直是人们关注的热点。对于传统的平直式中空纤维膜接触器,膜丝的随机装填使其在壳程分布不均匀,造成流体的非理想流动,使传质效率降低。因此,研究中空纤维膜接触器壳程强化传质性能,对于中空纤维膜接触器的应用有着重要的实际意义。本文以氮气吹扫水中溶解氧为实验体系,通过在壳程中添加筛网、弓形折流板和螺旋折流板三种不同构件改变壳程的空间结构,研究了装填分率、构件的数目及组件的尺寸对壳程流体力学性能及传质性能强化的影响。对中空纤维膜组件壳程中添加筛网强化传质过程进行了研究。考察了装填密度及筛网数目对流体力学性能和传质性能的影响,得到了传质增幅与压降增幅的关系及单位压降的传质系数。结果表明：添加筛网使壳程的非理想流动下降,沟流、死区等影响降低,有效传质面积增大,传质性能增强。在研究范围内,添加3个筛网时,传质系数增幅最大达46%。装填密度低,雷诺数较小时,传质增幅较大。添加1、2个筛网组件单位压降下的传质系数高于平直组件,添加3个筛网组件单位压降下的传质系数低于平直组件,且添加2个筛网的组件单位压降下的传质系数最高。对中空纤维膜组件壳程中添加弓形折流板强化传质进行了研究。研究了装填分率、组件的长径比对流体力学性能及传质性能强化的影响,得到压降增幅与传质增幅的关系及单位压降的传质系数,并获得了传质准数关联式。结果表明：添加弓形折流板后流体的湍动程度增大,传质性能增强明显。对于长径比为14的膜组件,装填分率越大,强化传质效果越好,最大传质增幅为37%,但是单位压降下的传质系数均小于平直组件。对于长径比为4的组件,传质增幅较大在60%-100%,且单位压降下的传质系数高于平直组件。类比于螺旋折流板换热器,对中空纤维膜组件壳程中添加螺旋折流板强化传质进行了研究,并与添加弓形折流板组件进行了对比。结果表明：添加螺旋折流板后流体湍动程度大大增强,传质效果是平直组件的1.7-2.2倍,且单位压降下的传质系数高于平直组件；添加的螺旋折流板数目越多,强化传质效果越显著。与相应的弓形折流板组件相比,在同样条件下,螺旋折流板组件的传质系数更大、压降更小,即单位压降下的传质系数更大。从传质系数的角度评价强化传质的效果,则添加内部构件的膜组件,与平直组件相比均增大,其中增幅最大的是螺旋折流板膜组件；从单位压降下的传质系数角度来评价,添加1和2个筛网、长径比较小的弓形折流板组件和螺旋折流板组件的单位压降下的传质系数数值比平直组件的高。故综合考虑,螺旋折流板膜组件的传质强化效果最优。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
符号说明  15-16
第一章文献综述  16-32
  1.1 膜分离过程简介  16
  1.2 膜分离过程发展简史  16-18
  1.3 膜接触器与中空纤维膜组件  18-19
  1.4 前人研究成果  19-31
    1.4.1 中空纤维膜组件的理论研究  20-21
    1.4.2 强化传质研究  21-27
      1.4.2.1 改变流动方式强化传质  21-22
      1.4.2.2 改变操作方式强化传质  22-23
      1.4.2.3 改变膜组件构型方式强化传质  23-27
    1.4.3 螺旋折流板列管式换热器的传热强化  27-29
    1.4.4 中空纤维膜接触器应用  29-31
      1.4.4.1 中空纤维膜接触器传统应用  29
      1.4.4.2 中空纤维膜接触器最新应用  29-30
      1.4.4.3 中空纤维膜接触器商业化应用  30-31
  1.5 本论文工作的目的和意义  31-32
第二章中空纤维膜接触器壳程添加筛网强化传质研究  32-50
  2.1 引言  32
  2.2 理论部分  32-37
    2.2.1 流体力学性能  32-34
    2.2.2 传质性能  34-36
    2.2.3 传质准数关联式  36-37
  2.3 实验部分  37-40
    2.3.1 膜组件的制备  37-39
    2.3.2 实验流程与设备  39
    2.3.3 实验步骤  39-40
  2.4 实验结果讨论  40-48
    2.4.1 流体力学性能  40-42
    2.4.2 传质性能  42-45
    2.4.3 传质强化效果与压降增幅关系  45-46
    2.4.4 单位压降传质系数  46-48
  2.5 结论  48-50
第三章中空纤维膜接触器壳程添加弓形折流板强化传质研究  50-66
  3.1 引言  50
  3.2 理论部分  50
  3.3 实验部分  50-51
    3.3.1 膜组件制备  50-51
  3.4 实验结果讨论  51-64
    3.4.1 长径比为14的中空纤维膜组件性能  51-59
      3.4.1.1 流体力学性能  51-53
      3.4.1.2 传质性能  53-56
      3.4.1.3 传质增幅与压降增幅关系  56-57
      3.4.1.4 单位压降传质系数  57-59
    3.4.2 长径比为4的中空纤维膜组件性能  59-62
      3.4.2.1 流体力学性能  59
      3.4.2.2 传质性能  59-61
      3.4.2.3 传质增幅与压降增幅关系  61-62
      3.4.2.4 单位压降下的传质系数  62
    3.4.3 相同装填分率下传质性能随组件长径比的变化  62-63
    3.4.4 相同装填分率的组件壳程添加不同构件传质性能比较  63-64
  3.5 结论  64-66
第四章中空纤维膜接触器壳程添加螺旋折流板强化传质研究  66-80
  4.1 引言  66
  4.2 理论部分  66-67
    4.2.1 螺旋折流板  66-67
  4.3 实验部分  67-68
    4.3.1 膜组件制备  67-68
  4.4 实验结果讨论  68-78
    4.4.1 螺旋折流板膜组件传质研究  68-71
      4.4.1.1 流体力学性能  68-69
      4.4.1.2 传质性能  69-70
      4.4.1.3 压降增幅与传质增幅关系  70-71
      4.4.1.4 单位压降下的传质系数  71
    4.4.2 壳程添加弓形折流板与螺旋折流板对比  71-78
      4.4.2.1 流体力学性能  71-73
      4.4.2.2 传质性能  73-75
      4.4.2.3 传质增幅与压降增幅关系  75-76
      4.4.2.4 单位压降下的传质系数  76-78
  4.5 结论  78-80
第五章结论  80-82
  5.1 结论  80
  5.2 本文工作的创新点  80-82
参考文献  82-86
致谢  86-88
研究成果及发表论文  88-90
作者及导师简介  90

中空纤维膜接触器壳程添加构件强化传质研究

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